Comprehensive Analysis of Aeroacoustic Noise Reduction by Variable Rotor Speed in a Coaxial Rotor System = 동축 로터 시스템에서 가변 로터 속도에 의한 공력소음 저감의 물리적 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigates the aerodynamic and aeroacoustic characteristics that arise when Variable Rotor Speed (VRS) control is applied to a coaxial counter-rotating rotor system, with the aim of establishing design and operational strategies for quiet and efficient rotorcraft. The investigation is conducted along two interconnected dimensions. The first examines how the dominant noise-reduction mechanisms induced by VRS differ fundamentally between low- and high-speed forward flight. Building on the physical insight gained from this analysis, the second dimension evaluates how key configuration and control parameters—namely lift offset (LOS), inter-rotor spacing (IRS), and rotor phase offset—interact with VRS to shape overall aerodynamic performance and acoustic behavior.

A mid-fidelity computational framework integrating a free-wake vortex lattice method (VLM) with the impermeable Ffowcs–Williams–Hawkings (FW–H) acoustic analogy is employed. The solver is validated against XH-59A flight-test data, enabling quantitative prediction of wake geometry, unsteady blade loading, and blade–wake interactions across a range of forward-flight conditions.

The analysis of VRS as a function of forward speed demonstrates that reducing rotor speed yields up to approximately 12% power savings, primarily due to the reduction in profile power. However, excessive speed reduction leads to aerodynamic stall associated with increased collective pitch, thereby limiting additional benefit. Acoustically, the governing mechanisms differ by flight regime: at low speeds, noise mitigation arises from weakened wake–blade interactions, whereas at high speeds it is attributed to the alleviation of loading fluctuations associated with blade crossover interactions. This constitutes a new physical observation for coaxial rotors and provides a refined perspective on the role of VRS in noise control.

To extend this understanding, the study further examines how VRS interacts with LOS, IRS, and phase offset. The results show that the optimal LOS varies with advance ratio, and that coordination with VRS can maximize aerodynamic and acoustic benefits. Increasing IRS consistently reduces inter-rotor wake interference, thereby enhancing both efficiency and noise reduction. Although rotor phase offset has a limited influence on aerodynamic performance, its combination with VRS in low-speed regimes yields a synergistic reduction in radiated noise—up to 6.7 dB—highlighting the critical role of blade–wake spatial alignment.

Overall, this dissertation establishes that the mechanisms through which VRS reduces noise in coaxial rotors differ fundamentally with flight speed, and it identifies how coordinated adjustment of configuration parameters can leverage these mechanisms to achieve low-noise, high-efficiency operation. The findings provide theoretical foundations and practical guidance for the development of next-generation rotorcraft, including high-speed helicopters, UAVs, and emerging UAM platforms.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 동축 반전로터(coaxial rotor)에서 가변 로터 속도(Variable Rotor Speed, VRS) 제어를 적용할 때 나타나는 공력 및 공력소음 특성을 규명하고, 저소음·고효율 회전익기의 설계 및 운용 전략을 마련하고자 수행되었다. 연구는 두 개의 상호 연계된 분석 축을 중심으로 전개된다. 먼저, VRS가 저속 및 고속 전진비행에서 서로 다른 소음 저감 메커니즘을 유도한다는 점을 규명하며, 이를 통해 전진속도에 따른 소음 지배요인의 근본적 차이를 명확히 제시한다. 이어서, 이러한 물리적 통찰을 바탕으로 리프트 오프셋(LOS), 로터 간 간격(IRS), 로터 위상차와 같은 주요 설계·제어 변수가 VRS와 상호작용하여 전체 공력 성능과 소음 특성에 어떠한 영향을 미치는지를 체계적으로 평가하였다.

해석에는 자유후류 기반 와류격자법(VLM)과 불투과 Ffowcs Williams Hawkings(FW–H) 음향 아날로지를 통합한 중간 충실도 해석 프레임워크를 사용하였다. 본 해석기는 XH-59A 비행시험 자료 및 기존 수치해석과의 비교를 통해 신뢰성이 검증되었으며, 다양한 전진속도 조건에서 후류 형상, 비정상 블레이드 하중, 블레이드–후류 상호작용을 정량적으로 예측할 수 있다.

전진속도에 따른 VRS 효과 분석 결과, 로터 속도를 감소시키면 프로파일 파워 감소를 중심으로 최대 약 12%의 동력 절감이 나타났으며, 과도한 속도 저감 시에는 양력 유지를 위한 집단피치 증가로 인해 실속이 발생하여 추가적인 이득이 제한됨을 확인하였다. 소음 측면에서는 저속 영역에서 후류–블레이드 상호작용 약화가, 고속 영역에서는 블레이드 교차에 의해 발생하는 하중 변동 완화가 각각 주요 소음 저감 요인으로 작용함을 확인하였다. 이는 동축 로터에서의 VRS 작용 메커니즘을 새롭게 규명한 결과로, 기존 연구에서 명시적으로 다루지 않았던 중요한 물리적 관찰이다.

이러한 이해를 확장하기 위해, VRS와 LOS·IRS·위상차의 상호작용을 추가로 분석하였다. 그 결과, LOS는 전진비에 따라 최적값이 변화하며 VRS와 조합될 때 공력 및 소음 개선 효과가 극대화되는 구간이 존재함을 보였다. IRS의 증가는 두 로터 간 후류 간섭을 줄여 공력 효율과 소음 저감을 동시에 향상시키는 경향을 나타냈다. 로터 위상차는 공력 성능에는 제한적인 영향을 미치지만, 저속 조건에서 VRS와 함께 적용할 경우 최대 6.7 dB의 추가적인 소음 감소 효과를 보이며 블레이드–후류 정렬이 소음 방사에 결정적 역할을 함을 확인하였다.

종합적으로, 본 연구는 동축 로터에서 VRS가 작동하는 소음 저감 메커니즘이 비행속도에 따라 본질적으로 달라진다는 사실을 명확히 규명하고, 이를 바탕으로 구성·제어 변수의 조정 전략을 제시함으로써 저소음·고효율 운용을 달성할 수 있는 근거를 마련하였다. 본 연구 결과는 차세대 고속 회전익기, 무인기(UAV), 도심항공교통(UAM) 플랫폼의 소음 저감 기술 개발을 위한 중요한 이론적 기반을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Research Background 1
• 1.2 Previous Studies 5
• 1.3 Research Objectives 7
• Chapter 2 Methodology 11
• 2.1 Aerodynamic Calculation 11
• 2.1.1 Free-Wake Vortex Lattice Method 13
• 2.1.2 Constant Vorticity Contour Model 16
• 2.1.3 Curved Vortex Element Method 18
• 2.1.4 Vortex Core Radius Model 24
• 2.1.5 Airfoil Aerodynamic Coefficient Table Look-up 25
• 2.1.6 Trim Calculation 26
• 2.2 Aeroacoustic Calculation 28
• 2.2.1 Ffowcs-Williams and Hawkings Acoustic Analogy 28
• 2.2.2 Acoustic Measurements 29
• 2.3 Solver Validation 32
• 2.3.1 Model Specification 32
• 2.3.2 Validation 34
• Chapter 3 VRS Effects on Aerodynamic Performance and Noise Reduction 37
• 3.1 Research Scope and Problem Description 37
• 3.2 VRS effects on Aerodynamic Performance 40
• 3.3 VRS effects on Noise Reduction 44
• Chapter 4 Extended Analysis of VRS Effects Considering Rotor Configuration Parameters 56
• 4.1 Research Scope and Problem Description 56
• 4.2 Lift Offset Effects under Variable Rotor Speed 58
• 4.2.1 Aerodynamic Performance Analysis 59
• 4.2.2 Aeroacoustic Characteristics 67
• 4.3 Inter–Rotor Spacing Effects under Variable Rotor Speed 75
• 4.3.1 Aerodynamic Performance Analysis 76
• 4.3.2 Aeroacoustic Characteristics 83
• 4.4 Rotor Phase Offset Effects under Variable Rotor Speed 91
• 4.4.1 Aerodynamic Performance Analysis 92
• 4.4.2 Aeroacoustic Characteristics 98
• 4.5 Interaction effects of IRS and phase offset under Variable Rotor Speed 107
• 4.5.1 Interaction effects on Noise reduction 107
• 4.5.2 Correlation between Power Savings and Noise Reduction 112
• Chapter 5 Conclusion 116
• 요약 125
• 감사의 글 127